摘要：電源管理模組是生理狀況監測系統持續工作、安全穩定的關鍵。本文針對生理狀況監測系統各模組電壓需求不同，設計了一個基於三種電源管理晶片的電源管理模組。該模組能實現不同電壓之間的轉換，為各個模組提供符合要求的工作電壓，確保系統穩定、安全、可靠執行。
關鍵詞：生理狀況監測系統 電壓轉換 電源管理模組
引言
隨著人們健康觀念加深和無線通訊技術的發展，生理狀況監測作為一個新興的產業，越來越受到人們關注。生理狀況監測系統一般由中央處理模組、生理資訊採集模組、無線通訊模組和電源模組組成。其中電源模組尤為重要，其效能的好壞直接影響到整個系統的穩定性、散熱性、持續性、可靠性和可恢復性。電源模組的設計思路在於利用有限的電能以有效的方式為系統供電，並管理系統電能消耗，最大限度地發揮系統的最高效能。本文通過對生理狀況監測系統各模組工作電壓、電流的分析，總結出系統對電壓、電流、功耗等指標的需求，根據現有三類電源管理晶片，重點討論電池的選擇和電源管理模組設計，為生理狀況監測系統各模組提供符合要求的工作電壓，使系統能夠穩定、安全、可靠、高效地工作。
一、生理狀況監測系統電源管理模組設計
生理狀況監測系統屬於行動式電子產品，行動式裝置處理器需要低電壓、大電流供電，由於普遍採用電池供電，電池固定的電壓、電流電容、體積和重量成為行動式電子產品設計的瓶頸。近年來，隨著高能量密度的鋰電池的發展，行動式電子產品逐步趨於使用鋰電池作為系統電源，鋰電池具有體積小、應用靈活、待機時間長、自放電率低、無記憶效應、無汙染、反覆充電、低成本等優點。
本文所述的生理狀況監測系統由處理器模組、心電模組、呼吸模組、體溫模組、血氧飽和度模組、體動模組和電源模組組成。如圖1所示。
各模組的工作電壓如表1所示。
本系統選用鋰電池供電，根據各模組的工作電壓和電流消耗，初步設定連續監測24小時，理論測算並結合實際使用，我們選擇總容量為1500mAh，電壓為3.6V的鋰電池供電。
電源管理的'關鍵在於根據系統需求確定電源管理晶片的種類以實現電源電壓的轉換。目前常見的電源管理晶片分為以下三類：低壓差線性穩壓器(LDO)、開關電源和電荷泵。低壓差線性穩壓器是通過輸入電壓控制電流源來控制輸出電壓。一般適用於對電流輸出要求較低或小功率的應用場合。開關電源通過低電阻開關和磁儲存單元，採用脈寬調製實現了較高的轉換效率。與LDO相比，由於其轉換效率高，開關電源發熱少、散熱簡單。一般適用於需要大電流、大功率或高效率的應用場合。電荷泵通過開關陣列、振盪器和比較控制器實現電壓提升。根據表1中各模組工作電壓，結合三類電源管理晶片的特性，設計出系統電源模組，如圖2所示。
本系統採用3.6V鋰電池供電，而中心處理晶片和體動模組的工作電壓為3.3V， 由於考慮低功耗和高效率的要求，採用TI公司的TPS76933實現3.6V到3.3V的轉換。TPS76933是一款低功耗、低壓降的線性穩壓器，採用5引腳SOT-23(DBV)封裝， 工作結溫範圍為-40℃～125℃，可固定輸出3.3V的電壓，100mA的靜態電流，待機模式下只有1的損耗。設計電路如3所示。
心電、呼吸、體溫和血氧飽和度模組需要5V的工作電壓，採用Maxim公司的MAX756將3.6V電壓提升為5V。MAX756是一款體積小、適用於低電壓供電的CMOS步升DC-DC變換器。根據引腳電平高低的不同，可以輸出3V或5V的電壓。具體電路設計如圖4所示。
心電和呼吸模組還需要一個-5V的電壓，因此還需要一個電壓反轉器來實現+5V到-5V的變化，本系統採用了ME7660。ME7660是一款高轉換精度、高轉換效率的DC-DC電荷泵電壓反轉專用積體電路，其輸入電壓範圍為1.5V～10V，當輸入5V電壓時，靜態電流僅為90，且外圍只需接兩隻低損耗電容，無需電感，體積小，使用方便，降低了電磁干擾。具體電路設計如圖5所示。
二、結論
生理狀況監測系統能否正常工作，電源管理模組是關鍵。針對生理狀況系統各模組工作電壓、電流不同，本文提出一種基於三種電源管理晶片的電源管理模組設計，實現了不同電壓之間的抬升、下降以及翻轉，為各個模組提供符合要求的工作電壓，提高系統的穩定性、安全性和可靠性。
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